Троицкий. общая геология. лекция.тема 1

Вселенная, Галактики, Солнечная система, планеты.

Теория Большого взрыва, эволюция Вселенной, Галактика Млечного пути, происхождение Солнечной системы (планеты и их спутники, пояс астероидов, кометы, метеориты). Планеты земной группы: Меркурий, Венера, Земля, Марс. Дальные планенты: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Их сравнительная характеристика. Значение изучения планет для познания истории развития Земли.

1.1.Строение и состав Вселенной. Галактики. Теория Большого взрыва. Эволюция Вселенной.

Галактика Млечного пути.

Возникновение Вселенной. В основу современных представлений о возникновении Вселенной положена гипотеза «Большого взрыва». Материя изначально была сконденсирована в объеме, равном «атому» с плотностью вещества 1096 кг/м3 (плотность атомного ядра – 1018кг/м3). Все ее вещество находилось в условиях бесконечно больших температур и плотностей, которые современная физика не может описать. Такое состояние вещества называется сингулярным.

Примерно 14 млрд.лет назад произошел «Взрыв» сверхплотного вещества в виде огненного шара «чистой энергии». Начальная температура его составляла порядка 100 млрд.0С.

Теория расширяющейся Вселенной или Большого Взрыва, впервые была создана в России в 1922 г. А. А. Фридманом.

Согласно теории с какого-то момента вещество, находящееся в сингулярном состоянии, подверглось внезапному расширению, которое в самых общих чертах можно сравнить со взрывом.Вселенная, доступная наблюдателям, насчитывает порядка 100 млрд. галактик, в каждой из которых содержится около 100 млрд. звезд.Все галактики и звезды удаляются от нас, а самые далекие из них движутся с большей скоростью. Это — закон астронома Хаббла. В 20-х годах прошлого столетия американский ученый Э.Хаббл установил, что все линии спектра галактик смещены к красной части спектра. Это явление назвали «эффектом Хаббла». Оно указывало на удаление галактик от наблюдателя,т.е. определяло условно «разбегание галактик». Следует подчеркнуть, что все галактики разбегаются друг от друга, а не от Галактики Млечного Пути. Ученые предполагают четыре возможных сценария развития Вселенной (рис.1.1)

1

Рис.1.1.Четыре возможных сценария эволюции Вселенной:1- пульсирующая, 2–с замедляющимся расширением,3 - равномерно расширяющаяся, 4 - расширяющаяся

Рис.1.2.Сценарий эволюции объектов Вселенной от Большого взрыва до современности

2

Таблица 1.1.Последовательность событий в истории Вселенной от Большого взрыва до современности

3

В 1965 г. было обнаружено превышение температуры космоса выше абсолютного нуля на 2.70. Астрофизик И.С.Шкловский назвал этот феномен «реликтовым излучением» как следствие «Большого взрыва».Фоновое электромагнитное излучение одинаковое по всем направлениям и не зависящее от времени суток. Это излучение эквивалентно излучению, как говорят физики, абсолютно черного тела. К числу наиболее современных внеземных средств изучения объектов Вселенной следует отнести телескопы Хаббл и WMAP - космические аппараты НАСА, предназначенные для изучения реликтового излучения, образовавшегося в результате Большого взрыва в момент зарождения Вселенной. Собранная WMAP информация позволила учёным построить самую детальную карту флуктуаций температуры распределения микроволнового излучения на небесной сфере.

Американнские ученые А.Пензиас и Р.Уилсон доказали существование во Вселенной «реликтового шума», своеобразной звуковой волны, возникшей после «взрыва».Обнаруженные в наши дни слабые вариации реликтового излучения в пространстве, равные 0,001 % средней величины, свидетельствуют о неравномерной плотности вещества во Вселенной. Вероятно, это первичное различие в плотности и

4

послужило как бы основой для возникновения в будущем скоплений галактик. Там, где плотность была выше средней, силы гравитации были больше, следовательно, уплотнение происходило сильнее и быстрее относительно соседних участков, от которых вещество перемещалось в сторону более плотных сгущений. Так начиналось формирование галактик.Звезды конденсировались из межзвездного вещества, а затем уплотнялись; в их центральных областях температура становилась настолько высокой, что там начинались термоядерные реакции.Этот процесс продолжается во Вселенной до настоящего времени.

Рис.1.3.Температура реликтового излучения около 3 градусов Кельвина. Вариации изменения температуры от точки к точке не превышают одной десяти тысячной градуса Кельвина. Это указывает на неравномерное распределение масс во Вселенной, что явилось основой возникновения звездных систем,получивших название Галактик. Флуктуации реликтового фона по данным NASA, основанным на наблюдениях на WMAP

Рис.1.4.Вселенная, которую мы сейчас наблюдаем, содержит лишь 1/9 того вещества, из которого, согласно расчетам, должна быть образована масса Вселенной. Следовательно, от нас скрыто 8/9 массы ее вещества.

5

Химический состав Вселенной составляет по массе 3/4 водорода и 1/4 гелия. Все остальные элементы не превышают в составе Вселенной даже 1 %. Тяжелые элементы образовались во Вселенной гораздо позже, когда при взрывах сверхновых звезд они были выброшены в космическое пространство.

Рис.1.5.Спиральная Галактика NGC 3982 в созвездии Большая Медведица.Этот снимок Галактики, удаленной от Земли на расстояние 68 млн световых лет, был

обозначены места, где зарождаются звезды. Молодые звезды обозначены голубым цветом. В ядре Галактики, обозначенном желтым цветом, находятся старые звезды. 13 апреля в 1998 в этой галактике была

зарегистрирована вспышка сверхновой звезды.

Во Вселенной известно огромное количество Галактик. Астрофизики полагают, что их порядка миллиарда. Галактики - это не туманности (не облака газа и пыли), а огромные звездные миры. Наша Галактика, или Галактика Млечного Пути, - это скопление около 100 млрд. звезд.

Иерархия объектов Вселенной представлена следующей последовательностью: звезды, звездные скопления, галактики (системы звезд), системы галактик, метагалактики и др. Звезда — тело, в котором идут, шли или будут идти термоядерные реакции. Звёздные скопления представляют собой гравитационно-связанные группы звёзд, имеющих общее происхождение. Галактика — гравитационно-связанная система из звёзд, межзвёздного газа, пыли и тёмной материи. Все объекты в составе галактик участвуют в движении относительно общего центра масс.Предполагается,что центр галактики представлен черной дырой.

Первоначально, каждая галактика представляла совокупность газопылевых облаков, состоящих в основном из водорода. В дальнейшем они преобразовывались в газопылевые скопления и преобретали в процессе уплотнения

6

момент вращения. Процессы сжатия привели к сгущению вещества, самопроизвольному гравитационному сжатию (коллапсу). В центральных частях сгущений возникли условия «критической массы» -проявления термоядерных реакций.

Так возникло Протосолнце в окружении протопланетного газового плазменного облака с температурой в несколько миллионов градусов . С понижением температуры из газообразного вещества облака конденсировались тугоплавкие элементы с появлением твердых частиц – образовалось холодное газопылевое облако. Под воздействием вращавшегося Протосолнца, выброса электро-заряженного вещества и движения его по силовым линиям магнитного поля осуществлялась передача вращательного мамента газопылевому облаку и последующему его вращению.Это привело к уплотнению облака, образованию кольцеобразного диска. Далее диск преобразовался в рой твердых частиц и газа. Процесс собирания, слипания (аккреции) вещества привел к образованию планетезималей (зародошей планет).

Галактика Млечного Пути обладает формой уплощенного диска диаметром около 100 000 св. лет и толщиной в 20 000 св. лет. В ее центре ,возможно, существует «черная дыра», как в ядрах других спиральных галактик. Все звезды медленно вращаются вокруг галактического центра. Солнце с планетами совершает один оборот вокруг центра за 215 млн лет со скоростью 240 км/с. Время полного оборота солнечной системы вокруг центра Галактики называется галактическим годом.

7

Рис.1.6. Общий вид и поперечное сечение галактики Млечного пути (сверху) и спиралевидные рукава Галактики (внизу).

Рис.1.7.Неравномерное распределение масс вещества во Вселенной является причиной развития различных драматических событий. В их числе

8

поглощение одной звезды другой (слева). Особую роль играют «черные дыры». Они могут поглощать Галактику (справа)

Рис.1.8.Поглощение Голубого сверхгиганта черной дырой.

Процесс образования химических элементов тесно связан с эволюцией звезд. Жизнь любой звезды имеет длительный стабильный период, который называетcя главной последовательностью, что обусловлено термоядерной реакцией преобразования водорода в гелий. Со временем водород – основное “горючее”в звездах любой массы – начинает иссякать. В результате у звезды формируется гелиевое ядро, а окружающая его оболочка сгорающего водорода медленно смещается к внешним областям. Внутренняя область звезды охлаждается и сжимается, оставляя внешние части звезды без гравитационной поддержки. Этот процесс называется коллапсом звезды, когда большая часть оставшегося у нее водородного “горючего” сгорает в считанные секунды. Взорванная внешняя оболочка звезды рассеивается в космическом пространстве. Таков катастрофический конец эволюции звезд.

Важно отметить, что большая часть элементов таблицы Менделеева возникала при взрыве Сверхновых. Этот процесс повторялся во Вселенной многократно. Таким образом, между временем Большого взрыва и временем, когда образовалась Солнечная система , во Вселенной сменилось много поколений звезд,

9

которые превращались в Сверхновые, взрывались и понемногу обогащали межзвездное пространство, а значит, и более поздние звезды, тяжелыми элементами.

Рис.1.9. Взрыв сверхновой звезды запечатленный Хаблом. При взрыве образуются новые тяжелые элементы.

Солнечная система. Происхождение Солнечной системы и планет, их состав и внутреннее строение, судьба

Солнца и планет.

Возникновение Солнечной системы. Земля является одной из многих планет, поэтому ее происхождение неразрывно связано с происхождением Солнечной системы. Образованию Солнечной системы с центральной звездой и планетами-

протосолнечного газо-пылевого облака. Из этой туманности в результате воздействия ударной волны, возникшей под влиянием взрыва сверхновой звезды, протовещество стало сжиматься, приобретая форму гигантского диска - прообраза Солнечной системы. В его центральной части было сосредоточено около 99,8 % от общей массы диска, что и предопределило возникновение центральной молодой звезды-Солнца. Оставшаяся часть (0,2 % от общей массы системы) неравномерно распределилась в пределах диска.

Взрыв Сверхновой повлек за собой начало гравитационного сжатия (коллапса) протосолнечного облака с образованием в его центре Солнца – обыкновенной средней звезды ,состоящей примерно на 70% из водорода, на 28% из гелия и на 2% из остальных более тяжелых элементов. Благодаря вращению системы, термическому воздействию Солнца и солнечному ветру за сравнительно короткое время (около 100 млн. лет) произошли дифференциация (разделение) газо-пылевых компонентов протовещества диска и их конденсация в кольца вокруг Солнца. Эти кольца соответствовали орбитам будущих планет и находились в экваториальной плоскости облака. Твердые частицы газо-пылевого кольца постепенно собирались в локальные агрегациипланетезимали.Их столкновение явилось основой образования “зародышей” современных планет Солнечной системы.

10